KR101096629B1

KR101096629B1 - 전계 발광 시료 분석 장치

Info

Publication number: KR101096629B1
Application number: KR20100042633A
Authority: KR
Inventors: 조훈영; 이동화; 곽동욱; 최현열
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-12-21
Also published as: EP2568275A4; WO2011139021A3; US20130057862A1; EP2568275A2; JP2013525783A; CN102884416A; WO2011139021A2; WO2011139021A9; EP2568275B1; JP5432416B2; KR20110123151A; US8934089B2; CN102884416B

Abstract

전계 발광 시료의 분석 장치로서, 상기 전계 발광 시료에 펄스 구동 신호를 인가하는 펄스 발생기; 상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL(Electroluminescence)을 수광하여 수광 신호를 획득하는 EL 검출기; 상기 전계 발광 시료의 온도를 가변시키기 위한 온도 가변기; 및 상기 전계 발광 시료의 온도 변화에 따른 상기 수광 신호의 지연된 시분할 구간 변화를 분석하여, 상기 전계 발광 시료에 존재하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 획득하는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부를 포함하는 전계 발광 시료 분석 장치가 제공된다.

Description

전계 발광 시료 분석 장치{APPARATUS FOR INSPECTION OF ELECTROLUMINESCENCE SAMPLE}

본 발명은 검사 및 분석 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전계 발광(Electroluminescence, 이하 EL) 시료의 분석 장치에 관한 것이다.

태양 전지(Solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다. 일반적으로 반도체에 빛이 입사하면 흡수된 빛과 반도체를 구성하고 있는 물질과의 상호 작용이 일어난다. 그리고 (-)전하와 (+)전하를 띤 전자와 정공(전자가 빠져나간 것)이 발생하여 전류가 흐르거나 전기 그 자체가 발생하기도 한다. 이것을 반도체의 광전 효과라고 한다. 반도체에는 (-)전하를 띤 전자를 끌어당기는 n-type 반도체와 (+)전하를 띠는 정공을 끌어당기는 p-type 반도체의 두 종류가 있는데, 태양 전지는 이 두 가지를 접합한 것이다. 일반적으로 반도체에서 발생한 (-)전하는 n-type 반도체 쪽으로, (+)전하는 p-type 반도체 쪽으로 끌어당겨져 각각 양쪽의 전극부에 모인다. 양쪽의 전극을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다. 여기에서 (+) 전하와 (-) 전하는 결국 같은 수가 된다. 그러므로 빛이 있는 한 발전은 멈추지 않는다. 즉 빛을 받으면 pn 접합을 가진 반도체 속에서 빛과 물질의 상호 작용이 일어나 (+) 전하와 (-) 전하가 발생하고, 그 전하를 밖으로 방출함으로써 전기가 흐르고 그 에너지로 모터를 회전시키거나 전등을 켤 수 있다. 따라서 태양 전지는 태양의 빛뿐만 아니라 형광등의 빛도 전기로 바꿀 수 있다.

최근 지구온난화에 따른 지구환경과 에너지문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로 태양 전지를 사용하는 태양광 발전시스템이 기대되고 있으며, 2100년에는 세계 에너지의 70%가 태양광 발전으로 진행될 것으로 예상된다. 에너지 비전의 실현을 위해서는 태양전지의 에너지 변환효율 향상이 중요한 과제 중 하나이다. 결정질 Si 태양전지는 전력용 태양전지 생산의 90%를 점유하고 있지만 효율은 24.7% 정도이며, 29%가 한계로 비약적인 효율 향상은 어렵다. Ⅲ-V족 화합물 반도체 기술을 바탕으로 한 InGaP/InGaAs/Ge의 3접합 구조 태양 전지의 집광동작으로 효율 40.8%가 실현되고 있으며 4접합, 5접합 등 다 접합으로 효율 50% 이상의 초고효율화가 기대되고 있다.

또한 LED(Light emitting diode)는 반도체의 여기상태인 전도대 전자가 바닥상태인 가전자대로 이동하면서 빛을 방출하는 과정(전자정공의 발광 재결합)을 이용한다. 실용화 되어 있는 LED는 거의 띠 간격 구조가 직접천이형인 화합물 반도체가 쓰이고 있다. 전도대의 바닥에 있는 전자와 가전자대 정상에 있는 정공의 운동량이 거의 같은 경우에만 높은 발광 재결합 확률이 얻어지기 때문이다. LED의 발광색은 활성층(발광영역)을 구성하는 반도체 재료의 에너지 띠 간격으로 결정된다. GaAS의 띠 간격은 1.43eV로 약 870㎚의 근적외선을 방출한다. 가시광 LED는 이보다 에너지 띠 간격이 큰 재료를 쓴다. 고효율 LED에는 에너지 띠 간격이 다른 복수의 화합물 반도체 박막을 에피택셜 성장해서 제조하는 다층박막 구조를 이용한다. 기판재료로는 GaAS(적외선~가시광)이나 GaP(가시광)가 사용되며 청색에서 자외선 경우는 사파이어(Al₂O₃)나 탄화규소(SiC)가 쓰인다.

LED 개발 초기에는 단순한 pn접합이 이용되었다. 공핍층에 가까운 n-type 영역이나 p-type 영역을 발광 결합층으로 하였다. 이 영역은 불순물이 첨가된 영역이므로 결정품질이 좋지 않아서 고효율의 LED를 얻기 힘들었다. 발광효율을 높이기 위한 가장 일반적인 방법은 p-type과 n-type 영역의 띠간격을 활성층의 띠 간격보다 크게 한 이중헤테로(DH: Double-hetero) 구조이다. 활성층을 얇게 해서 양자우물 구조로 하고 전자와 정공을 가두는 효과를 높이면서 띠 끝 전자상태 밀도향상이 시도되고 있다. LED에 투입된 전류에 대한 광출력 비율은(외부 양자효율) 전극을 포함한 직렬저항에 의한 쥴(Joule) 손실을 제외하고 발광 재결합률(내부 양자효율)과 칩으로부터 빛이 나오는 효율로 결정된다. LED의 구성 재료에는 기판과 전극이 있는데 활성층에서 발생하는 빛의 일부는 여기에서 흡수된다. 기판재료의 띠 간격이 활성층 띠 간격보다 큰 것이 바람직하다. 반도체 재료 외에 몰드 재료에 의한 효율저하와 표면의 요철가공 문제 등도 연구가 되고 있다.

태양전지 및 LED 소자에서 반드시 해결해야 할 문제 중의 하나인 그 내에 존재하는 결함형 전하 트랩(defective charge trap)들은 유효한 전자와 정공들이 포획되면서, 동작조건을 변화시킴으로 소자동작 시 동작특성에 영향을 미친다. 따라서 이러한 소자 구조가 차세대 소자로 자리잡기 위해서는 재연성과 내구성 있는 소자특성이 요구되며, 이를 위해 현재까지 해결되지 않은 박막뿐만 아니라, 다층구조에서의 전자나 정공의 포획과정, 광학적으로 활성화된 다층구조에서 trap의 분포 및 그 trap의 구조, 에너지 분포에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정하다.

태양전지 및 LED 구조에서 존재하는 trap의 경우 크기에 비해서 전하들을 포획할 수 있는 trap의 양이 상대적으로 증가하며, 여러 에너지 준위에 존재한다. 다결정형 구조의 소자 박막의 경우 보고된 결함형 trap외에 더 많은 trap이 존재할 것으로 판단되지만, 그 에너지 깊이가 물질의 에너지 밴드 갭의 한계 때문에 모든 결함형 trap들을 분석할 수 있는 포괄적인 분석방법이 없으며, 한가지의 분석기술로는 관측 가능한 trap의 범위가 한정된다. 또한 분명히 존재할 것으로 판단되는 각각의 구조 층간의 계면상태 결함 trap은 소자의 동작특성에도 영향을 미칠 것으로 예측되기 때문에 표면 및 계면상태 분석방법 역시 그 중요성을 간과할 수 없다. 따라서 광전자소자에서는 charge trap(CT) 외에 Interface trap(IT) 과 Surface trap(ST) 역시 구조체내의 charge separation과 그 동작 수명에 영향을 줄 것으로 예상하며, 이는 다른 소자와는 다르게 외부환경에 노출되는 태양 전지의 경우 결함형 trap들의 영향이 시간이 갈수록 확대되기 때문이다. 따라서 정확한 전하형 trap의 origin을 분석하고 발생 원인을 추적하여, 그들을 제어를 할 수 있다면 현재 요구되는 저가격, 고효율 Solar Cell 및 LED 소자분야에 기여할 것이다.

이러한 요구를 만족할 수 있는 ELTS 같은 광전자물리학 원리를 이용한 비파괴성 charge trap 분석연구는 차세대 활용 가능한 Solar Cell 및 LED에서 광범위한 trap의 확인 및 소자 성능 평가에 필수적이 될 것이다.

따라서 본 발명은 태양 전지, LED 등과 같은 EL 방출 소자 내에 존재하는 결함형 전하 트랩들에 대한 트랩의 분포, 구조, 에너지 분포 등에 대한 정보를 확인할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 결함형 전하 트랩에 대한 정보와 더불어 EL 방출 소자의 수명(lifetime)에 대한 정보 및 EL 이미지도 하나의 분석 장치를 통해 통합하여 분석할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 EL 방출 소자의 표면 결함을 확인하기 위한 EL 이미지를 마이크로 단위로 촬영 및 제공할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전계 발광 시료의 분석 장치로서, 상기 전계 발광 시료에 펄스 구동 신호를 인가하는 펄스 발생기; 상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL(Electroluminescence)을 수광하여 수광 신호를 획득하는 EL 검출기; 상기 전계 발광 시료의 온도를 가변시키기 위한 온도 가변기; 및 상기 전계 발광 시료의 온도 변화에 따른 상기 수광 신호의 트랜지언트 변화를 분석하여, 상기 전계 발광 시료에 존재하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 획득하는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부를 포함하는 전계 발광 시료 분석 장치가 제공된다.

일 실시예에서, 상기 펄스 발생기는, 상기 온도 가변기에 의한 상기 전계 발광 시료의 온도 변화 시점에 상응하여 구형파 펄스를 발생시키고, 상기 EL 검출기는 상기 구형파 펄스가 인가될 때마다 상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL을 검출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 EL 검출기에 의해 획득되는 상기 수광 신호는 광전류 신호, 광전압 신호 및 전기용량 신호 중 어느 하나이고,

상기 ETLS 분석부는, 상기 수광 신호의 트랜지언트 구간 내의 2개의 시점을 샘플링 시간으로 하여 상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 차를 산출하고, 상기 온도 변화에 따른 상기 수광 신호의 차의 변화 관계를 이용하여 상기 결함형 전하 트랩의 활성화 에너지 준위, 상기 결함형 전하 트랩의 농도, 상기 결합 전하 트랩의 포획 단면적 중 적어도 하나의 정보를 획득할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 ELTS 분석부는, 임의의 고정 온도에서 획득된 수광 신호의 트랜지언트 구간을 분석하여 소수 운반자(minority carrier)의 수명(lifetime) 정보를 더 획득하되, 상기 소수 운반자의 수명 정보는 지수적으로 변화하는 상기 트랜지언트 구간의 시상수를 산출함을 통해 획득될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전계 발광 시료 분석 장치는, 상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL에 대한 EL 이미지를 획득하기 위한 촬상 장치; 및 상기 EL 이미지에 근거하여 상기 전계 발광 시료의 표면 결함을 분석하는 표면 결함 분석부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 EL의 광경로를 기준으로 상기 촬상 장치의 전면에 마이크로스코프(microscope)가 위치하되, 상기 표면 결함 분석부는 상기 촬상 장치로부터 획득된 마이크로 단위의 EL 이미지에 근거하여 상기 전계 발광 시료의 표면 결함을 분석할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전계 발과 시료 분석 장치는, 상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL의 일부가 상기 EL 검출기로 입력되고, 나머지가 상기 마이크로스코프로 입력되도록 광 분기시키는 광 분기기를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL 광 중 원하는 파장만을 검출하거나 원하지 않은 파장을 제거하기 위한 광분광부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 태양 전지, LED 등과 같은 EL 방출 소자 내에 존재하는 결함형 전하 트랩들에 대한 트랩의 분포, 구조, 에너지 분포 등에 대한 정보를 확인할 수 있는 전계 발광 시료의 분석 장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 결함형 전하 트랩에 대한 정보 이외에도 EL 방출 소자의 수명(lifetime)에 대한 정보 및 EL 이미지를 함께 획득할 수 있어, EL 방출 소자의 검사 및 분석에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, EL 방출 소자의 표면 결함을 확인하기 위한 EL 이미지를 마이크로 단위로 촬영 및 제공할 수 있어, 표면 결함 검사의 신뢰성 및 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 완제품 상태인 제품화된 소자에 대해서도 상기와 같은 결함형 전하 트랩에 대한 정보 및 소수 운반자의 수명에 대한 정보를 분석 및 측정해낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광 시료의 분석 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면.
도 2는 전계 발광 시료에 인가되는 펄스 구동 신호 및 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL을 수광한 수광 신호로서 광전류를 예시한 도면.
도 3은 운반자 포획 및 방출 과정 그리고 트랩에 포획된 운반자를 설명하기 위한 도면.
도 4는 온도 변화에 따른 수광 신호의 트랜지언트 변화의 상관 관계 및 이를 통한 결함형 전하 트랩 정보 획득 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 태양 전지에서의 수광한 빛에 따른 운반자 밀도의 지수적 변화를 예시한 도면.
도 6은 Optical ICTS(Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy)를 통해 시간에 따라 지수적으로 감소하는 지연된 시분할 구간에 따른 라이프타임을 분석하는 방법을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 장치에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광 시료의 분석 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 발광 시료 분석 장치는, 진공 챔버(15), 펄스 발생기(110), 온도 가변기(120), 마이크로스코프(130), 광분기기(142), EL 검출기(140), 촬상 장치(150), 증폭기(160), A/D 컨버터(165), 온도 검출 및 제어부(170), 분석부(180) 등을 포함할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 설계에 따라 그 보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 전계 발광 시료 분석 장치를 구현할 수도 있다.

본 발명의 전계 발광 시료 분석 장치는 상기와 같은 구성을 포함함으로써 동시에 다음의 세 가지 용도를 갖는 장치로서 활용될 수 있다. 상기 세 가지 용도의 장치란, 첫 번째로는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석 장치, 두 번째로는 Electroluminescence Lifetime 분석 장치, 세 번째로는 마이크로 단위의 영역에서의 근적외선영상 분석 장치가 바로 그것이다. 이하, 이에 대하여 차례로 설명하기로 한다.

ELTS 분석 장치

전계 발광 시료(10)는 마운트 부재(125)에 안착된 상태로 진공 챔버(15) 내에 위치할 수 있다. 이때, 펄스 발생기(110)는 소정의 펄스 구동 신호(본 예에서는 구형파 펄스(21)인 것으로 가정함)를 생성하여 진공 챔버(15) 내의 전계 발광 시료(10)에 인가한다.

위와 같이 펄스 구동 신호가 인가되면, 전계 발광 시료(10)는 EL 광을 방출한다. 예를 들어, LED의 경우 해당 색 영역(즉, 해당 파장 대역)의 EL 광을 방출하며, 태양 전지의 경우 근적외선 영역의 EL 광을 방출할 수 있다.

여기서, EL의 방출 원리는 다음과 같다. 재료(일반적으로 반도체)를 통과해 전류가 흐르거나 강한 전기장이 걸릴 때, 다른 부호의 전하 운반자(charge carrier) 즉, 전자와 정공의 재결합(recombination)의 결과로 빛을 내는 광학적, 전기적 현상을 EL(Electroluminescence)이라고 한다. EL 광을 얻기 위해서는 결정 격자내의 전자들을 보다 높은 에너지 준위로 가져갈 필요가 있다. 이때, 발광 세기는 시료에서의 결함 밀도에 의존하며, 결함이 적을 수록 더 많은 광자를 방출하게 된다.

도 1에서는 전계 발광 시료(10)로부터 방출된 EL 광이 마이크로스코프(130)를 거친 후, 광분기기(142)를 통과(투과)하여 EL 검출기(140)로 수광되도록 장치 구성되고 있다. 그러나 이는 본 발명에 따른 분석 장치가 "ELTS 분석 장치"의 용도와 후술할 "마이크로 단위의 표면 결함 분석용 EL 이미지 획득 장치"의 용도를 동시에 구현할 수 있도록 장치 구성된 일 예에 따른 것에 불과하다.

따라서, 위 2가지 용도를 동시에 구현하면서도 도 1에 도시된 장치 구성에서와 다른 설계 방식에 의할 수도 있음은 자명하다. 도 1의 경우 마이크로스코프(130)로 입력된 EL 광이 광분기기(142)를 통해서 일부(즉, 투과광)가 EL 검출기(140)로 수광되고, 나머지(즉, 반사광)가 CCD 카메라 등의 촬상 장치(150)로 수광되고 있지만 이와 다른 설계 방식에 의할 수도 있다. 예를 들어, 상기 광분기기(142)가 상기 마이크로스코프(130)의 후단(광출력단)이 아닌 전단(광입력단)에 위치할 수 있다. 이와 같은 경우 촬상 장치(150)는 광분기기(142) 및 마이크로스코프(130)를 거친 EL 광을 수광하겠지만, EL 검출기(140)는 광분기기(142)만을 거친 EL 광을 수광하게 될 것이다. 또한 전계 발광 시료(10)로부터 방출된 EL 광을 직접 수광할 수 있는 위치에 상기 마이크로스코프(130) 및 상기 EL 검출기(140)를 각각 위치시킬 수도 있으며, 이와 같은 경우에는 상기 광분기기(142)는 생략될 수 있을 것이다.

또한 도 1에 따른 본 발명에서는 전계 발광 시료(10)로부터 방출된 EL 광이 마이크로스코프(130)를 거친 후 EL 검출기(140) 또는 촬상 장치(150)에서 수광되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과하고 마이크로스코프(130)를 거치지 않고 전계 발광 시료(10)로부터 방출된 EL 광이 EL 검출기(140) 또는 촬상 장치(150)에서 수광될 수도 있다. 그리고 본 발명에서는 EL 검출기(140)에서 수광된 EL 광이 증폭기(160)를 거치는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과하고 증폭기(160)를 생략할 수도 있다. 한편, 발광 시료(10)로부터 방출된 EL 광 중 특정 파장의 광만을 분리하는 분광기(미도시)를 거쳐 EL 광을 수광할 수도 있다. 이때 분광기는 필터 등을 이용하여 원하는 파장의 광을 수광하거나 원하지 않는 파장을 컷오프(cutoff)할 수 있다.

이후, EL 검출기(140)를 통해 검출된 수광 신호는 도 1에 도시된 바와 같이 증폭기(160) 및 A/D 컨버터(170)를 거쳐 분석부(180)로 전송될 수 있다. 여기서, EL 검출기(140)는 포토 다이오드, 포토 디텍터일 수 있으며, 이에 의해 획득되는 수광 신호는 EL 광의 세기(intensity)에 상응하는 광전류(photo current), 광전압(photo voltage) 또는 전기용량(capacitance) 신호일 수 있다.

EL 검출기(140)로부터 획득된 수광 신호는 이상적인 경우(즉, 전계 발광 시료(10)에 결함이 존재하지 않는 경우) 입력된 펄스 구동 신호와 동일한 파형을 갖게 될 것이나, 실제로는 도 1의 참조번호 22에서와 같이 지연된 시분할 구간을 갖는 파형의 형태를 가지게 된다.

이러한 수광 신호의 파형 왜곡은 검사 대상인 전계 발광 시료(10)에 존재하는 결함에 의한 것이므로, 수광 신호의 지연된 시분할 구간을 분석하면 전계 발광 시료(10)에 존재하는 결함에 관한 정보를 획득해낼 수 있다. 이에 대하여 도 2 내지 도 4를 함께 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 전계 발광 시료에 인가되는 펄스 구동 신호 및 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL을 수광한 수광 신호로서 광전류를 예시한 도면이다.

ELTS 측정을 위해, 펄스 발생기(110)를 통해 도 2의 (a)에서와 같은 펄스 구동 신호를 전계 발광 시료(10)의 정션(junction)에 인가하면, EL 검출기(140)는 전계 발광 시료(10)로부터 방출된 EL 광을 센싱하여 EL 검출기(140)의 반응함수(Current, Voltage, 또는 Capacitance)에 따른 수광 신호로서 획득하게 되는데, 이때 수광 신호는 도 2의 (b)와 같을 수 있다.

도 2의 (b)에서, EL 검출기(140)의 반응함수가 광전류일 경우, F~C 구간은 시료의 광여기 의해 EL 검출기(140)의 광 운반자(photo carrirer)가 발생되어 검출기 전류가 급격하게 증가하는 구간이고, C~D 구간은 F~C 구간에서 생성된 운반자들이 트랩(trap)에 포획되어 quasi-steady 상태로 유지되는 구간이다. D~E 구간은 운반자들의 재결합(recombination)으로 인해 전류가 다시 감소하는 구간이다. 마지막으로 E~F 구간은 트랩(trap)에 포획된 광 운반자들이 열에너지에 의해 de-trapping하는 구간이며, 이때 나타나는 전류는 지연된 시분할 곡선(transient curve)를 갖는다.

상술한 바와 같이, 광 전류 신호의 E~F 구간이 지연된 시분할 곡선 형태를 갖게 되는 이유는 다음과 같다. 이를 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 운반자 포획 및 방출 과정 그리고 트랩에 포획된 운반자를 설명하기 위한 도면이다.

결정결함이 없고 원자들의 위치가 주기적으로 배열된 완전한 결정에서는 위치에 따른 퍼텐셜도 주기적인 함수의 꼴을 갖는다. 그러나, 결정결함이 존재하는 곳은 전기적 퍼텐셜의 주기성이 깨어지며 이러한 퍼텐셜의 일그러짐은 전하를 띠고 있는 입자에 대해 트랩(trap)을 형성한다. 이러한 트랩들은 결정 내에서 깊은 준위를 형성하는데 깊은 준위의 변수들은 운반자들의 재결합과 생성과정, 즉, 전자포획(electron capture), 전자방출(electron emission), 정공포획(hole capture), 정공방출(hole emission)의 과정으로 설명된다(도 3의 (a) 참조).

전자방출은 도 3의 (a)에서와와 같이 트랩에 있던 전자가 에너지를 얻어 전도대로 전자를 방출하는 과정이며, 전자포획은 전도대에 있던 자유전자가 에너지를 잃고서 트랩으로 천이하는 전자를 포획하는 과정이다.

정공포획은 트랩 준위에 있던 전자가 에너지를 잃고서 가전자대로 천이하는 과정으로 도 3의 (a)에서와 같이 트랩이 정공을 포획하는 과정이고, 정공방출은 가전자대에 있던 전자가 에너지를 얻어 트랩 준위로 여기하는 과정으로서 트랩이 정공을 방출하는 과정이다. 임의의 트랩에 있어서 위의 4가지 과정은 동시에 일어나게 되며, 트랩에 포획되어 있던 전자가 에너지를 얻어 전도대로 여기하는 전자방출 과정에서 자유전자의 농도는 증가하고, 자유전자가 에너지를 잃고, 트랩 준위로 천이하는 트랩의 전자포획 과정에 의해 자유전자 농도는 감소한다.

도 3의 (b)에서, E_c는 전도대의 에너지 준위를, E_v는 가전자대의 에너지 준위를, E_t는 트랩의 에너지 준위를 나타내며, △E_t는 트랩 준위에 포획된 전자가 전도대로 여기하여 자유전자로서 역할하는데 필요한 활성화 에너지(activation energy)를 의미한다. 또한, n은 전도대의 자유전자의 농도를, n_t 와 p_t는 전자 및 정공을 포획한 트랩의 농도를 의미하고, N_t는 트랩 밀도(trap density)를 의미한다.

따라서, 전계 발광 시료에 결함형 전하 트랩이 임의의 에너지 준위에 위치하는 경우, 전자-정공 재결합 과정을 통해 EL을 방출하는데 사용되어야 할 자유전자의 농도가 감소될 수 있다. 본래는 가전도대로 천이하여야 할 전자의 일부가 상기 트랩에 포획되기 때문이다. 이와 같이 트랩에 포획되었던 일부 전자는 상기 전자방출 과정을 통해서 상기 활성화 에너지를 얻어 뒤늦게 자유전자로서 역할하게 되면, 도 3의 (b)의 E~F 구간에서와 같은 지연된 시분할 구간을 만들어내게 되는 것이다. 따라서 상기 트랩 준위에서 전도대로 여기하는데 필요한 활성화 에너지(△E_t)를 알면, 그 트랩이 위치하는 에너지 준위(E_t)를 확인하는 것이 가능하다.

이하, 전계 발광 시료에 존재하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보(즉, 활성화 에너지, 트랩 준위, 트랩의 포획 단면적, 트랩 농도 등)를 획득하는 방법에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 온도 변화에 따른 수광 신호의 지연된 시분할 구간 변화의 상관 관계 및 이를 통한 결함형 전하 트랩 정보 획득 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서, 전계 발광 시료에 존재하는 결함형 전하 트랩 정보는, 도 1의 온도 가변기(120)를 통해서 전계 발광 시료의 온도 변화를 부여한 후, 그 온도 변화에 따라서 EL 검출기(140)에 의해 획득된 수광 신호의 지연된 시분할 구간 변화를 분석함으로써 획득할 수 있다.

즉, 본 발명의 전계 발광 시료 분석 장치에서의 분석부(180)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 수광 신호의 지연된 시분할 구간 내의 2개의 시점(t1, t2)을 샘플링 시간으로 하여 상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 차(I(t1) - I(t2))를 산출한 후, 상기 온도 변화에 따른 상기 수광 신호의 차의 변화 관계를 이용하면, 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 획득할 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 시간 t1 및 t2에서의 광 전류 신호를 측정하면, 아래와 같은 식으로 주어지는 규격화된 ELTS 신호를 얻을 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 1]에서 e_n은 방출율(emission rate) (rate window, sec-1)이고, q는 전자의 전하량, μ_n은 전자의 이동도, A는 시료의 유효 단면적, E는 인가된 전기장, τ_n은 릴렉세이션 시간(relaxation time), N_t는 트랩 밀도(trap density)이다. [수학식 1]로부터 dI_n/d_t = 0 조건을 이용하면 ELTS 최대 신호 위치에서의 샘플링 시간(sampling time)과 방출율에 대한 관계를 다음과 같이 얻을 수 있다.

[수학식 2]

여기서 방출율(

)은 온도에 따른 아래 [수학식 3]과 같이 주어진다.

[수학식 3]

위의 [수학식 3]으로부터 트랩의 활성화 에너지(활성화 에너지(△E_t) 및 트랩의 포획 단면적(σ_T)을 얻을 수 있다.

즉, 상기 온도 변화에 따른 수광 신호의 차의 변화 관계는, 도 4에서와 같이 온도 변화에 따라 가우시안 분포(Gaussian distribution)를 갖는 아레니우스 플롯(Arrhenius plot)의 형태를 가지므로, 이와 같이 아레니우스 플롯을 그리면, 직선의 기울기로부터 트랩의 활성화 에너지(△E_t)를 구할 수 있고, 그 트랩의 포획 단면적(σ_T) 또한 구할 수 있기 때문이다.

EL 라이프타임 분석 장치

태양 전지나 LED 소자 내에서 방출한 빛은 인가한 전하 운반자가 결함 및 불순물 등에 트랩되면 발생되는 광 이득은 이들에 의해 크게 줄어들게 된다. 따라서 물질 내의 소수 운반자 (minority carrier) 라이프타임(τ) 분석은 결정성을 갖는 물질들이 PV (photovoltaic) 물질로 사용가능한지에 대한 여부를 평가하는 방법이 된다.

이를 위해, 본 발명의 전계 발광 시료 분석 장치에서의 분석부(180)는, 임의의 고정 온도에서 획득된 수광 신호의 지연된 시분할 구간을 분석하여 소수 운반자(minority carrier)의 수명(lifetime) 정보를 획득한다. 이때, 소수 운반자의 전하 밀도는 도 5에서와 같이 지수적으로 변화하는 특징을 가지며, 상기 수광 신호의 지연된 시분할 구간은 소수 운반자에 대한 전기적 특성을 대변해주는 것이므로, 상기 소수 운반자의 수명 정보는 지수적으로 변화하는 상기 지연된 시분할 구간의 시상수를 산출함을 통해 획득해낼 수 있다.

즉, 본 발명에서는, 태양 전지, LED 등 전계 발광 시료의 소자 품질 지표 중 하나이며 효율에 영향을 미치는 소수 운반자 수명을 ELTS 분석장치를 통해 측정한다. 이 분석 장치를 통한 태양 전지 및 LED lifetime 측정 방법은 반도체 시료에 펄스 형태의 구동 신호를 인가하여 그 시료로부터 방출되는 EL로부터 EL 검출기를 통해 얻은 반응함수(Current, Voltage 또는 Capacitance) 신호에서, 시간에 따라 지수적으로 감소하는 지연된 시분할 구간의 분석을 통해 소수 운반자(minority-carrier) 및 트랩(trap)의 라이프타임(lifetime)을 분석한다.

또한 특정 고정 온도에서의 광의 반응함수 중 정전용량에 대한 시분할 구간의 측정을 통해 라이프타임을 분석할 수 있다. 즉, Optical ICTS(Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy)를 통해 시간에 따라 지수적으로 감소하는 지연된 시분할 구간에 따른 라이프타임을 분석한다(도 6 참조). 이에 대한 수식은 다음과 같다.

여기서, K 는 상수이고, N_t는 트랩의 농도이며, N_A는 어셉터의 농도이고,

는 광학적 정공 방출율이며,

은 광학적 전자 방출율이다.

현재 태양 전지 및 LED 제품에 대해 Cell 결함과 라이프타임 측정은 개별 검사 장치로 측정하고 있는 실정이다. 따라서, 본 발명의 전계 발광 시료 분석 장치에 의하면, 태양 전지 및 LED cell의 결함과 라이프타임 측정을 하나의 분석 장치로 통합하여 분석할 수 있으므로 그 분석 및 검사에 소요되는 시간, 비용 등을 절감할 수 있게 된다.

마이크로 단위의 표면 결함 분석용 EL 이미지 획득 장치

또한, 본 발명의 전계 발광 시료 분석 장치에서의 분석부(180)는, 도 1에 도시된 바와 같은 구성에 의하여, 마이크로스코프(130) 및 촬상 장치(150)를 통해 획득된 EL 이미지에 근거하여 전계 발광 시료(10)의 표면 결함을 마이크로 단위로 검사할 수 있다.

즉, 본 발명의 전계 발광 시료 분석 장치는, 앞서 설명한 ELTS 분석 장치로서의 용도 및 EL 라이프타임 분석 장치로서의 용도 이외에도, 태양 전지 및 LED 소자 등과 같은 전계 발광 시료의 표면 결함 분석용 마이크로 EL 영상 획득 장치로서의 용도로도 활용될 수 있다. 이에 의하면, 태양 전지 및 LED 소자에서 방출되는 EL image를 마이크로 단위로 촬영할 수 있어, 태양 전지 및 LED 소자 등의 표면 및 미세한 외부 결함을 보다 정확하게 검출해낼 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

10 : 전계 발광 시료
110 : 펄스 발생기
120 : 온도 가변기
130 : 마이크로스코프
140 : EL 검출기
150 : 촬상 장치
180 : 분석부

Claims

전계 발광 시료의 분석 장치로서,
상기 전계 발광 시료에 펄스 구동 신호를 인가하는 펄스 발생기;
상기 펄스 구동 신호가 인가됨에 따라 상기 전계 발광 시료로부터 방출되는 EL(Electroluminescence)을 수광하여 수광 신호를 획득하는 EL 검출기;
상기 전계 발광 시료의 온도를 가변시키기 위한 온도 가변기; 및
상기 수광 신호의 지연된 시분할 구간 내의 2개의 시점을 샘플링 시간으로 하여 상기 2개의 샘플링 시점에서의 수광 신호의 차를 산출하고, 상기 온도 변화에 따른 상기 수광 신호의 차의 변화 관계를 이용하여, 상기 전계 발광 시료에 존재하는 결함형 전하 트랩에 관한 정보를 획득하는 ELTS(Electroluminescence Transient Spectroscopy) 분석부
를 포함하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 펄스 발생기는, 상기 온도 가변기에 의한 상기 전계 발광 시료의 온도 변화 시점에 상응하여 구형파 펄스를 발생시키고,
상기 EL 검출기는 상기 구형파 펄스가 인가될 때 상기 전계 발광 시료로부터 상기 인가된 구형파 펄스에 반응하여 방출된 EL을 검출하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 ELTS 분석부가 획득하는 상기 결함형 전하 트랩에 관한 정보는, 상기 결함형 전하 트랩의 활성화 에너지 준위, 상기 결함형 전하 트랩의 농도, 상기 결함형 전하 트랩의 포획 단면적 중 적어도 하나의 정보인 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 ELTS 분석부는, 임의의 고정 온도에서 획득된 수광 신호의 지연된 시분할 구간을 분석하여 수명(lifetime) 정보를 더 획득하되,
상기 수명 정보는, 소수 운반자(minority carrier) 및 상기 결함형 전하 트랩에 대한 정보 중 적어도 하나이며, 지수적으로 변화하는 상기 지연된 시분할 구간의 시상수를 산출함을 통해 획득되는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL에 대한 EL 이미지를 획득하기 위한 촬상 장치; 및
상기 EL 이미지에 근거하여 상기 전계 발광 시료의 표면 결함을 분석하는 표면 결함 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제5항에 있어서,
상기 EL의 광경로를 기준으로 상기 촬상 장치의 전면에 마이크로스코프(microscope)가 위치하되,
상기 표면 결함 분석부는 상기 촬상 장치로부터 획득된 마이크로 단위의 EL 이미지에 근거하여 상기 전계 발광 시료의 표면 결함을 분석하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제6항에 있어서,
상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL의 일부가 상기 EL 검출기로 입력되고, 나머지가 상기 마이크로스코프로 입력되도록 광 분기시키는 광 분기기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 전계 발광 시료로부터 방출된 EL 광 중 원하는 파장만을 검출하거나 원하지 않은 파장을 제거하기 위한 광분광부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 시료 분석 장치.